Способ масс-спектрального количественного определения содержания углерода в многокомпонентных твердых материалах Советский патент 1990 года по МПК H01J49/26 G01R7/16 

Изобретение относится к физико- химическому анализу, в особенности к методу масс-спектрометрии, и может использовано для контроля технологии изготовления многокомпонентных твердых материалов.

Целью изобретения является повышение правильности масс-спектрального анализа углерода и расширение функциональных возможностей путем раздельного определения свободного гле- рода и углерода, связанного в летучие соединения.

Согласно предлагаемому способу анализируемое вещество предварительно смешивают с порошком вещества-окислителя.

Смесь анализируемого образца и вещества-окислителя помещают в высокотемпературную ячейку, нагревают ее, увеличивая температуру с постоянной скоростью, и с помощью масс-спектрометра измеряют в процессе нагрева количество выделившихся летучих соединений углерода.

Перед началом измерений калибруют масс-спектрометр по газообразным СО и С0г (или другим летучим соединениям углерода) с целью обеспечения перехода от интенсивностей масс-спект- ральных линий к парциальным давлениям.

Затем выполняют калибровку по количеству летучих соединений, выделяюСП

to

СП

щихся в ячейке. Например, для калибровки по COj в ячейку помещают известное количество карбоната, полностью разлагающегося в определенном интервале температур с образованием газообразной СО/}.

Измеряя зависимость интенсивности масс-спектральной линии С0$ от времени при нагреве смеси до полного разложения карбоната, определяют временную зависимость парциального давления СОд. Эту зависимость интегрируют и приравнивают полученную величину массе выделившейся СО. Массу СО а определяют расчетным путем по хими- еской формуле разложения карСэната.

Поскольку при высоких температурах образуется окись углерода СО, необходима также калибровка по количест- ву СО, выделившейся в ячейке. Эту операцию выполняют аналогично предыдущей, используя расчетное количество СО, которое получается при полном окислении в ячейке известного коли- чества чистого углерода, нагреваемого в смеси с порошком нелетучего окисла.

Полученные таким способом величины чувствительности прибора по коли- честву выделяющихся в ячейке летучих соединений углерода используют при анализе вещества с неизвестным содержанием углерода. Для этого анализируемое вещество в виде порошка смешивают

с порошком нелетучего окисла. Навеску смеси помещают в испарительную ячейку масс-спектрометра.

После подготовки прибора к работе включают нагрев ячейки, увеличивая температуру с постоянной скоростью.. При этом фиксируют интенсивности всех линий, которые могут быть связаны г летучими соединениями углерода, и определяют временные зависимости пар- циальных давлений этих соединений.

Полученные временные зависимости интегрируют. По этим интегральным величинам, зная чувствительность прибора по количеству выделяющихся летучих соединений, определяют общее содержание углерода.

Линейное увеличение температуры позволяет разделить во времени выделение летучих соединений углерода. Например, карбонаты разлагаются при температурах не выше 1000°С, а окисление свободного углерода с выделением только окиси углерода происходит

.

JQ 15

4544

(в соответствии с термодинамическим равновесием реакции восстановления окислов) при температурах выше 1000°С Этим обеспечивается возможность определять раздельно количество углерода, содержащегося в карбонатах или других летучих соединениях и углерода в свободном состоянии.

5

0 5

0

5

0

Д5

50

55

Температурное и временное разделение термодесорбционных пиков позволяет также исключить из результата анализа фоновые количества СО и СО/, выделяющихся из неконтролируемых загрязнений внутренних частей прибора.

Пример. Для выполнения анализов была использована масс-спектро- метрическая установка, состоящая из времяпролетного масс-спектрометра МСХ-4 и камеры с высокотемпературной ячейкой. Вакуум не ниже 2 10 5Па создавался в установке безмасляной системой откачки, причем камера ячейки откачивалась отдельным насосом.

Ячейка, изготовленная из молибдена, нагревалась до 1000°С тепловым излучением кольцевого катода, а до более высокой температуры - электронной бомбардировкой.

Для калибровки масс-спектрометра по двуокиси углерода в камеру источника с помощью вентиля тонкой регулировки добавляли COQ и определяли зависимости интенсивности линии COj от давления СО. Величина чувствительности масс-спектрометра по СОв находилась в пределах (4...8)1 О 3Па/мм шкалы.

Аналогичным образом калибровался прибор по окиси углерода, а измеренная чувствительность была равной (3...7) 10 Па/мм шкалы.

Для калибровки прибора по количеству COg, выделяющемуся при нагреве вещества в ячейке, использовали карбонат кальция, который при нагреве до 600° С

разлагается СаСОа-

по реакции

СаО + .СО,

откуда следует, что при полном разложении 0,15 г CaCOj в газовую фазу выделяется 0,066 г газообразного ,

Полнота протекания реакции контролировалась рентгеноструктурным анализом остатка.

По временной зависимости интенсивности масс-спектральнон линии , полученной при нагреве СаСО} со

скоростью 1,5 град/с, была построена временная зависимость парциального давления COg в камере масс-спектрометра. Графическое интегрирование этой зависимости позволило установить, что абсолютная чувствительность анализа СОр, выделяющегося из нагреваемой ячейки, составила величину 2 « Ч (Г7 г.

Аналогичным образом была определена чувствительность анализа СО, образующегося в ячейке.

Известное (установленное расчетом) количество окиси углерода было получено при окислении 0,015 г чистого графита в смеси с 1,5 г химически чистой окиси железа. Полнота окисления углерода контролировалась по отсутствию выделения СО при нагреве остатка с добавлением свежей порции Fe203.

чувствительность

ана- составила величину 1,310 г,

Абсолютная лиза СО

Для определении углерода, находящегося в веществе в различных формах, использовали смесь из компонентов электродного покрытия: рутила, кварцевого песка, карбоната кальция и графита. В эту смесь добавляли порошок Fe/jOa.

На чертеже показан общий вид временной зависимости парпиальности давления СО и С00, полученной при равномерном нагреве этой смеси до lAOO C.

Первый термодесорбиионньтй пик соответствует выделению СО и С0( из поверхностных загрязнений. Второй - выделению СОр при разложении карбона1536454

5

0

Эксперименты с контрольными смесями показали, что предлагаемый способ обеспечивает правильность анализа общего содержания углерода и позволяет раздельно определять свободный углерод и углерод, связанный в летучие сое- соед: шения.

Предлагаемый способ характеризуется универсальностью, экспрессностью, простотой оборуг нання и методики анализа.. При этом обеспечивается высокая чузстн: ,,1ьность анализа.

В предлагаемом способе значительно упропшется решение проблемы эталонов в связи с возможностью использования для калибровки химически чистых веществ.

Предлагаемый способ позволяет болае точно учесть фон, создаваемый десорбцией неконтролируемых загрязнений с нагреваемых поверхностей внутренних частей установки.

Возможность раздельного определения углерода, находящегося в веществе в различных формах, значительно расширяет область применения аналитического метода по сравнению с об- ластью применения известных способов анализа углерода.

Использование предлагаемого изобретения дает возможность количествен- rio определять углерод в сварочных материалах (сердечниках порошковых проволок, электродных покрытиях, флюсах) и в материалах металлургического производства.

Предлагаемый способ может быть

Изобретение относится к физико-химическому анализу, в особенности к методам масс-спектрометрии, и может быть использовано для контроля технологии изготовления многокомпонентных твердых материалов. Цель изобретения - повышение правильности масс-спектрального анализа углерода и расширение функциональных возможностей за счет раздельного определения свободного углерода и углерода, связанного в летучие соединения. Для этого анализируемое вещество предварительно смешивают в порошком вещества-окислителя, а в качестве вещества-окислителя используют нелетучие термически устойчивые окислы металлов. 1 з.п. ф-лы.

та и третий - выделению СО при окисле- дд использован также для анализа сырье нии графита. Полнота окисления углерода обеспечивалась двухкратным превышением количества , необходимого для окисления свободного углерода, и выдержкой расплава при 1400°С до полного исчезновения пика . Повторный нагрев этой смеси до более высокой температуры не приво45

вых материалов в цветной и горнорудной промышленности, а также в геологии и минералогии.

Формула изобретения

дил к выделению СО.

По этим данным была оценена относи- зд материалах, заключавшийся в нагреве

тельная чувствительность анализа углерода на данной установке, составившая величину мас.%.

При использовании масс-спектрометра с более высокой эффективностью получения и анализа ионов, чем в данной установке, чувствительность анализа может быть повышена еще не менее, чем на два порядка, т.е. до 10 %.

использован также для анализа сырье

вых материалов в цветной и горноруд- ной промышленности, а также в геологии и минералогии.

Формула изобретения

использован также для анализа сырье

анализируемог-j образна в высокотемпературной ячейке и измерении летучих соединений углерода путем интегрирования временных зависимостей их парциальных давлений, отличающийся тем, что, с целью повышения правильности анализа общего содержания углерода и расширения функ- циональньк возможностей путем рая-

115364548

дельного определения свободного угле-2. Способ по п.1, отличаюрода и углерода, связанного в лету- щ и и с я .тем, что в качестве вещестчие соединения, анализируемое вещест-ва-окислителя используют нелетучие i

во предварительно смешивают с порош- .термически устойчивые окислы металком вещества-окислителя. лов.